飞秒离轴全息干涉光路、调节方法及全场振动测量系统与流程

本发明涉及飞秒激光干涉测量与数字全息显微，具体地，涉及一种飞秒离轴全息干涉光路、调节方法及全场振动测量系统。尤其地，涉及一种脉冲前沿匹配的飞秒离轴全息干涉光路、调节方法及飞秒频闪全场振动测量系统。本发明可用于微纳结构表面形貌测量、瞬态位移测量以及ghz以上超高频微振动的全场定量测量。本发明尤其适用于基于飞秒光频率梳同步频闪的微纳机电系统（mems/nems）振动测量仪器，包括但不限于fbar、baw、xbar、saw、pmut、声子晶体、片上声学器件、光声耦合器件和量子声学器件的全场幅值、相位、模态形状、能量泄漏和声学色散测量。

背景技术：

1、数字全息干涉测量通常利用物光与参考光在二维探测器上形成干涉条纹，通过傅里叶域滤波或相移算法重构待测表面的复振幅和相位分布。对于连续窄线宽激光而言，参考光只需相对物光具有较小倾角即可产生离轴空间载频，且由于连续光相干长度较长、光谱带宽极窄，参考臂和测量臂的光程差、色散差和横向群延迟差通常不会成为限制全场干涉的主要因素。

2、然而为了测量上百mhz、ghz乃至数十ghz的高速振动而引入飞秒脉冲激光时，传统连续光离轴全息光路不能直接适用。飞秒脉冲在时域内极短，通常只有几十飞秒至数百飞秒；在频域内则具有数十纳米甚至更宽的光谱带宽。其相干长度远短于常规连续激光，且不同频率分量在透镜、分束器、物镜、空气、玻璃基底和光栅等光学元件中经历不同群延迟。因此，在飞秒离轴全息系统中，参考脉冲与物脉冲不仅需要在平均光程上相干，还必须在二维探测器有效视场内以飞秒量级的时间精度重合。

3、飞秒离轴全息存在一个与传统连续光全息不同的核心矛盾：一方面，为了在二维探测器的空间频谱中分离零级项和正负一级干涉项，参考光相位波前必须相对于物光相位波前具有一定倾角；另一方面，由于飞秒脉冲是时间局域光场，如果参考光仅通过简单几何倾斜入射，则探测面不同横向位置处的参考脉冲峰值到达时间将产生线性漂移，使得参考脉冲与物脉冲只在局部区域重叠，而在视场边缘失去干涉对比度。该问题在大视场、高数值孔径显微系统和宽光谱飞秒激光条件下尤为突出。

4、现有的脉冲激光干涉测振方法多采用单点光电探测或扫描式测量结构，其核心是利用脉冲列与高频振动之间的时间混频关系获得低频拍频信号。这类方法不受飞秒窄脉宽激光的宽光谱色散效应影响，能够实现高频率带宽测量且具有高灵敏度，但依赖低效率的逐点扫描方法才能够实现二维测量。传统离轴数字全息显微系统虽然能够全场成像，但难以解决超窄脉宽光源带来的全场离轴干涉中相位波前与脉冲前沿耦合造成的条纹质量下降问题，限制了其测量频率上限。

5、因此，亟需一种适用于飞秒脉冲光源的离轴全息干涉光路，使其在二维探测器处既能形成用于傅里叶全息重构的稳定空间载频，又能保证参考脉冲与物脉冲在整个有效视场范围内同步到达，从而获得高对比度、均匀、可重构的飞秒离轴全息干涉图。

6、专利申请文献cn114562955a公开了一种时空分辨的瞬态面型干涉检测系统及检测系统，该方法通过分光将多偏振态集成测量光路和压缩感知测量光路结合起来得到时空分辨检测结果，通过四个偏振片和探测器获取去除直流项和后向散射虚像的面型，通过引入啁啾参考光和光栅获取不同时刻的空间信息以便结合压缩感知计算出不同时刻的面型信息。然而该专利无法完全解决目前存在的技术问题，也无法满足本发明的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种飞秒离轴全息干涉光路、调节方法及全场振动测量系统。

2、根据本发明提供的飞秒离轴全息干涉光路，包括：飞秒脉冲光源、分束与偏振控制模块、测量臂、参考臂、脉冲前沿匹配模块、合束成像模块和二维探测器；

3、所述飞秒脉冲光源用于产生宽谱脉冲光；

4、所述分束与偏振控制模块设置于所述飞秒脉冲光源的输出光路上，用于将所述飞秒脉冲光源发出的脉冲光分为测量光和参考光，并调节两路光的功率比、偏振态和光程差；

5、所述测量臂设置于所述测量光的光路上，用于将测量光照射至待测样品表面，并将经待测样品反射、散射或透射后的物光传输至合束成像模块；

6、所述参考臂设置于所述参考光的光路上，用于将参考光传输至所述合束成像模块；

7、所述脉冲前沿匹配模块设置于所述参考臂中，用于使参考光在二维探测器处具有相对于物光的非零横向相位波矢，并使参考光与物光在二维探测器有效视场内的相对脉冲峰值到达时间差小于预设阈值；

8、所述合束成像模块用于将物光与经脉冲前沿匹配的参考光叠加并传输至二维探测器；

9、所述二维探测器设置于所述合束成像模块的输出面上，用于记录离轴全息干涉图。

10、优选地，所述脉冲前沿匹配模块被配置为使参考光与物光在探测面处满足：

11、参考光与物光之间的横向相位波矢差不为零，且其大小使得正负一级干涉谱与零级谱在二维傅里叶域内可分离，、分别为x、y方向上的横向相位波矢差；

12、同时参考光与物光之间的横向群延迟梯度的模长小于预设阈值，或者在二维探测器有效视场宽度内产生的最大相对脉冲峰值到达时间差小于预设阈值，分别为x、y方向上的横向群延迟梯度。

13、优选地，所述预设阈值被设置为小于飞秒脉冲强度半高全宽的10倍。

14、优选地，所述脉冲前沿匹配模块包括横向波矢产生元件和中继成像元件；

15、所述横向波矢产生元件用于产生参考光的离轴横向相位波矢；

16、所述中继成像元件用于将所述横向波矢产生元件所在平面、其傅里叶面或其共轭面映射至二维探测器附近；

17、所述横向波矢产生元件为透射式光栅、反射式光栅、闪耀光栅、体全息光栅、衍射光学元件、棱镜组、光楔、空间光调制器或超表面器件。

18、优选地，所述横向波矢产生元件为透射式光栅，所述透射式光栅被配置为使参考光选取其一级衍射光作为参考波，所述中继成像元件将所述透射式光栅平面或其共轭平面映射到探测面；所述一级衍射光的横向波矢由光栅周期d决定，经放大倍率为m的中继成像系统后，探测面处横向波矢为，对应条纹周期。

19、优选地，所述横向波矢产生元件为反射式闪耀光栅，所述参考光以入射角入射至所述反射式闪耀光栅，选取一级反射衍射光作为参考波，入射角、一级衍射角、波长和光栅周期d之间满足反射式光栅方程；从而计算得到：

20、

21、通过调节和，当满足时，中心波长附近参考光横向波矢对波长的一阶导数接近零，即。

22、优选地，所述横向波矢产生元件为反射式闪耀光栅，被放置于littrow几何或近littrow几何条件下；所述参考臂还包括对称中继成像结构和反射结构，所述对称中继成像结构将光栅处的波包轨迹或其共轭关系重新映射至探测面附近，使由光栅色散引起的群延迟梯度被压缩或抵消，由合束路径、偏振分束器反射路径或参考臂几何路径引入稳定的相位波前倾斜。

23、根据本发明提供的飞秒离轴全息干涉光路的调节方法，包括以下步骤：

24、步骤s1：搭建测量臂和参考臂，使物光与参考光在二维探测器处重合；

25、步骤s2：调节参考臂的横向波矢产生元件，使干涉条纹空间频率处于二维探测器采样和傅里叶重构允许范围内；

26、步骤s3：调节参考臂光程、色散补偿量、中继成像位置、光栅入射角或反射几何，使全视场干涉条纹对比度达到预设值；

27、步骤s4：根据单独采集的物光强度图、参考光强度图和全息干涉图计算归一化干涉项，评价全场条纹可见度、局部可见度分布和载波频域信噪比；

28、步骤s5：根据评价结果迭代调节参考臂，使全场条纹对比度、空间载频分离度和脉冲前沿匹配程度满足测量要求。

29、优选地，在步骤s4中，归一化干涉项由全息图强度、物光强度和参考光强度按下式计算得到：

30、

31、其中，为避免分母过小的正数；

32、通过对进行局部滑动窗口干涉对比度统计，获得全场条纹局部可见度分布；通过对进行二维傅里叶变换，获得离轴载波峰位置、正负一级谱分离程度和载波能量相对于背景能量的信噪比。

33、根据本发明提供的全场振动测量系统，其包括所述的飞秒离轴全息干涉光路，还包括：

34、光电同步激励模块：用于根据飞秒脉冲列产生相干锁定的时间基准信号；

35、射频驱动模块：用于生成与飞秒脉冲列相干锁定的射频激励信号以驱动待测器件；

36、时延或相位偏移模块：用于改变射频激励信号相对于飞秒脉冲列的相对延迟或相位偏移；

37、图像采集控制模块：用于控制二维探测器在预设振动相位处采集离轴全息干涉图；

38、全息重构模块：用于对各相位下的离轴全息图进行傅里叶域一级谱截取和复场重构，得到待测器件的全场振动幅值和相位分布。

39、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

40、（1）本发明采用反射式闪耀光栅或littrow/近littrow反射结构时，本发明能够减少透射基底引入的群速度色散，提高参考臂光能利用率，改善飞秒脉冲的时间压缩状态，有利于提高皮米量级甚至更低位移测量中的信噪比；

41、（2）本发明的脉冲前沿匹配条件以横向相位波矢和横向群延迟梯度为核心约束，可由多种光学元件实现，不局限于特定光栅、特定中心波长、特定放大倍率或特定显微物镜，且适配通用的显微成像干涉系统，在切换物镜倍率后亦可实现快速的干涉位置再对准；

42、（3）与传统连续光离轴全息光路相比，本发明能够在飞秒宽谱脉冲条件下同时控制相位波前和脉冲前沿，使参考光既具有用于离轴全息重构的空间载频，又在全视场范围内与物光实现飞秒量级时间重合，从而显著提高干涉条纹的均匀性和可重构性；

43、（4）与简单倾斜参考臂的飞秒干涉光路相比，本发明避免了由几何倾角直接导致的横向脉冲到达时间漂移，可降低视场边缘干涉对比度下降、条纹局部断裂、频谱副瓣扩展和相位重构误差；

44、（5）与单点或扫描式脉冲激光干涉测振方案相比，本发明提供适用于二维探测器的全场飞秒离轴全息光路基础，能够一次采集整个视场内的复光场信息，为ghz以上微纳器件的全场振动成像提供光学支撑。